[发明专利]一种片式氧传感器的制造方法及片式氧传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种片式氧传感器的制造方法以及采用该制造方法制成的片式氧传感器。

背景技术

近年来随着汽车保有量的急剧增加，汽车尾气已成为主要的大气污染源之一。汽车发动机内的燃料未经充分燃烧而排出的尾气中含有大量对人体有害的气体，据统计，汽车排放的有害气体已占全球整个大气污染的50％以上，为此许多发达国家颁布了越来越严格的汽车尾气排放法规，以利于能够最大程度上降低有害气体的排放及其对大气环境的污染。

为了减少汽车尾气中有害气体的排放，提高燃油效率，氧传感器已成为汽车中必备的部件。氧传感器通过检测尾气中氧离子的含量获得发动机内燃料燃烧时吸入的空气与燃料比(简称空燃比)信号，并将空燃比信号转换为电信号输送至电控单元，电控单元根据氧传感器反馈的信号对喷油时间进行修正，实现空燃比的闭环反馈控制，从而精确地控制空燃比，使其始终接近理论空燃比(理论空燃比A/F约为14.7)，使发动机得到最佳的油气混合浓度，最终达到降低有害气体排放量与节约燃油的目的。

现有的氧传感器一般分为管式氧传感器与片式氧传感器。其中，片式氧传感器与管式氧传感器相比具有如下优势：

第一，从点火到氧含量检测的响应时间快，管式氧传感器的响应时间一般大于50s，而片式氧传感器的响应时间一般为10s～12s；

第二，生产制备更加简单，有利于实现大规模的生产；

第三，控制效果好，性能更加可靠；

第四，有利于传感器的小型化和加热元件的集成；

第五，维护更加方便。

因此，片式氧传感器替代传统的管式氧传感器已成为必然趋势。

片式氧传感器与管式氧传感器都属于电位型ZrO₂(二氧化锆)氧传感器，其工作原理为：ZrO₂固体电解质材料的一侧暴露在汽油引擎的尾气中，尾气中氧气分压为P_O2′，ZrO₂固体电解质材料的另一侧暴露在参比空气中，参比空气中氧气分压P_O2为固定值，因此ZrO₂固体电解质材料两侧的氧气浓度或压强存在位差，在一定的工作温度下(一般为350℃以上)，ZrO₂固体电解质材料具有离子导电特性，氧气会以氧离子的形态通过含有大量氧空位的ZrO₂固体电解质材料，氧离子会从高浓度侧向低浓度侧传导，从而形成氧离子导电，于是在ZrO₂固体电解质材料两侧的电极上产生氧浓度差电势E，形成一种浓差电池结构，氧浓度差电势E由能斯特(Nernst)方程决定，即

E=RTZFIn(PO2PO2′)---(1)]]>

在式(1)中：E为氧浓度差电池电动势；R为气体常数，R＝8.314J/mol·k；T为工作温度(K)；Z为电子转移数；F为法拉第常数，F＝9.648×10^-4C·mol；P_O2为参比空气中氧气分压；P_O2′为尾气中氧气分压。从上式中可知，只要测得电动势E的值，就可以推导出尾气中氧气分压P_O2′或氧含量，电控单元依据尾气中氧分压或氧含量获得发动机空燃比信号，并修正喷油时间，使实际空燃比接近理论空燃比，以提高燃油利用率。

片式氧传感器由多层结构组成，包括多孔保护层、外电极、传感器基体、内电极、参比空气通道层、加热器、绝缘层、加热器基体等。

现有技术条件下，片式氧传感器通常的制造方法包含如下步骤：

基片成型：将粉放入已设计好的模具中干压制成传感器基体、参比空气通道层和加热器基体；